第九章 机械零件设计概论

《机械零件》各章节主要是从工作原理、《机械零件》各章节主要是从工作原理、承载能力、构造和维护等方面论述通用机械零承载能力、构造和维护等方面论述通用机械零件的设计问题。其中包括如何合理确定零件的件的设计问题。其中包括如何合理确定零件的形状和尺寸，如何适当选择零件的材料，以及形状和尺寸，如何适当选择零件的材料，以及如何使零件具有良好的工艺性等。如何使零件具有良好的工艺性等。本章本章扼要阐扼要阐明机械零件设计计算的明机械零件设计计算的共同性共同性问题。问题。包括包括：： 零件的失效形式、设计准则、设计方法和步零件的失效形式、设计准则、设计方法和步骤骤 零件的各种强度计算零件的各种强度计算 // 零件的常用材料和工艺零件的常用材料和工艺性性 摩擦、摩损和润滑摩擦、摩损和润滑 // 公差与配合公差与配合

第九章 机械零件设计概论第九章 机械零件设计概论

第九章 机械零件设计概论第九章 机械零件设计概论

机械零件设计概述机械零件设计概述机械零件的强度机械零件的强度机械零件的接触强度机械零件的接触强度机械零件的耐磨性机械零件的耐磨性(( 机械制造常用材料及其选择机械制造常用材料及其选择 ))公差配合、粗糙度和优先数系公差配合、粗糙度和优先数系机械零件的工艺性及标准化机械零件的工艺性及标准化

§9–1 §9–1 机械零件设计概述机械零件设计概述 机械设计应满足的要求是：在满足预期功能的机械设计应满足的要求是：在满足预期功能的前提下，性能好、效率高、成本低，在预定使用期限前提下，性能好、效率高、成本低，在预定使用期限内安全可靠，操作方便、维修简单和造型美观等。内安全可靠，操作方便、维修简单和造型美观等。 设计机械零件时，也同样要求零件工作可靠，设计机械零件时，也同样要求零件工作可靠，成本低廉。成本低廉。一、基本概念一、基本概念 失效失效 : : 机械零件由于某种原因不能正常工作的状机械零件由于某种原因不能正常工作的状态。态。 工作能力工作能力 : : 在不发生失效的条件下在不发生失效的条件下 , , 零件所能安零件所能安全全 工作的限度。工作的限度。 承载能力承载能力 : : 机械零件在不发生失效时能承受的最机械零件在不发生失效时能承受的最大大 载荷。载荷。

共振：当周期性干扰力的频率与轴的自振频率相等或共振：当周期性干扰力的频率与轴的自振频率相等或 接近时，发生的振幅急剧增大，失去振动稳定性接近时，发生的振幅急剧增大，失去振动稳定性的的 现象。现象。零件的失效形式有：断裂或塑性变形；过大的弹性变零件的失效形式有：断裂或塑性变形；过大的弹性变 形；工作表面的过度磨损或损伤形；工作表面的过度磨损或损伤 ; ; 共振共振 ; ; 联接松联接松弛弛 ;;

摩擦传动的打滑等。失效形式可归纳为：摩擦传动的打滑等。失效形式可归纳为：强度、强度、刚刚 度、耐磨性、稳定性度、耐磨性、稳定性和和温度温度的影响等问题。的影响等问题。工作能力计算准则：防止失效而制定的判定条件。工作能力计算准则：防止失效而制定的判定条件。 强度条件：应力≤许用应力强度条件：应力≤许用应力 刚度条件：变形量≤许用变形量刚度条件：变形量≤许用变形量

计算量≤许用量计算量≤许用量

二、机械零件设计类型和步骤二、机械零件设计类型和步骤

拟定零件的计算简图拟定零件的计算简图

确定作用在零件上的载荷确定作用在零件上的载荷

选择合适的材料选择合适的材料

确定零件形状和主要尺寸确定零件形状和主要尺寸

绘制工作图，标注技术条件绘制工作图，标注技术条件

选用相应判定条件选用相应判定条件

设计计算法设计计算法 校核计算法校核计算法

参照实物参照实物 (( 图纸图纸 ))和经验数据和经验数据

拟定零件的结构和尺寸拟定零件的结构和尺寸

验算零件结构和尺寸验算零件结构和尺寸

验算，修改零件验算，修改零件

选用相应判定条件选用相应判定条件

§9-2 §9-2 机械零件的强度机械零件的强度 一、基本概念一、基本概念 名义载荷：在理想的平稳工作条件下作用名义载荷：在理想的平稳工作条件下作用在在 零件上的载荷。零件上的载荷。 载荷系数：实际计算载荷与名义载荷的比载荷系数：实际计算载荷与名义载荷的比值。值。 它考虑的是机械工作时，零件受到的它考虑的是机械工作时，零件受到的各种各种 附加载荷。附加载荷。 名义应力名义应力 :: 当载荷为名义载荷时计算出的应当载荷为名义载荷时计算出的应力。力。 计算应力：按计算载荷求得的应力。计算应力：按计算载荷求得的应力。

二、强度判定条件二、强度判定条件 σ σ ≤ [≤ [σσ] = ] = σσlimlim//SS

τ ≤ [τ] = ττ ≤ [τ] = τlimlim//SS

注：注： [[σσ]] 和和 [τ][τ] 为许用正应力和许用剪应力，取决为许用正应力和许用剪应力，取决于应力的种类、零件材料的极限应力和安全系于应力的种类、零件材料的极限应力和安全系数等。数等。 σσlimlim 和和 ττlimlim 为极限正应力和极限剪应力。在简为极限正应力和极限剪应力。在简单应力状态下用实验测得；复杂应力下的情况单应力状态下用实验测得；复杂应力下的情况在后面讨论。在后面讨论。

SS: : 安全系数安全系数

三、应力的种类三、应力的种类

按随时间变化情况分按随时间变化情况分

静应力：不随时间变化的应力静应力：不随时间变化的应力变应力：随时间变化的应力。当应力是周期性变应力：随时间变化的应力。当应力是周期性

变化时，称为变化时，称为循环变应力循环变应力。。应力应力

应力的参数应力的参数平均应力： 应力平均应力： 应力幅：幅：循环特性：循环特性：

σσmm= ————= ————σσmaxmax++σσminmin

22σσaa= ————= ————

σσmaxmax--σσminmin

22r r = ——= ——

σσminmin

σσmaxmax

表示应变力中应呼变化的情况表示应变力中应呼变化的情况σσmaxmax==σσminmin==σσmm

σσaa=0=0

静应力静应力 r r = = 00

一般循环一般循环变应力变应力

对称循环变应力对称循环变应力r r = = --1 1 σσm m = 0= 0

σσaa= = σσmaxmax==--σσminmin

σσm m ==σσaa==σσmaxmax/2 /2 σσmin min =0=0

脉动循环变脉动循环变应力应力 r r =0=0

四、静应力下的许用应力四、静应力下的许用应力 ((） ） 静应力下，零件失效形式为：断裂或塑性变形。静应力下，零件失效形式为：断裂或塑性变形。 塑性材料：塑性材料： [[σσ]=]=σσs s //SS ∵∵ σσlimlim= = σσss (( 材料的屈服极材料的屈服极限限 ))

脆性材料：脆性材料： [[σσ]=]=σσBB//SS ∵∵ σσlimlim= = σσBB (( 材料的强度极材料的强度极限限 ))

P123P123 表表 9-19-1列举了一些常用钢铁材料的极限应力。列举了一些常用钢铁材料的极限应力。五、变应力下的许用应力五、变应力下的许用应力 变应力下．零件的失效形式是疲劳断裂。 疲劳断变应力下．零件的失效形式是疲劳断裂。 疲劳断裂的特征有：裂的特征有： 1)1) 断裂时的最大应力远低于断裂时的最大应力远低于 σσBB ，甚至低于，甚至低于 σσss ；； 2)2) 断口为无明显塑性变形的脆性突然断裂断口为无明显塑性变形的脆性突然断裂 3)3) 是损伤的积累，初期只在零件表面或表层形成微是损伤的积累，初期只在零件表面或表层形成微裂纹。裂纹。 P120P120 图图 9-29-2 为轴的弯曲疲劳断裂的断口． 为轴的弯曲疲劳断裂的断口．

疲劳断裂是损伤的积累，是裂纹扩展到一定程度疲劳断裂是损伤的积累，是裂纹扩展到一定程度后的突然断裂，所以它与应力循环次数后的突然断裂，所以它与应力循环次数 ((即使用期限或即使用期限或寿命寿命 ))密切相关。密切相关。 疲劳曲线：表示应力疲劳曲线：表示应力 σσ((纵坐标纵坐标 )) 与应力循环次与应力循环次数数 NN((横坐标横坐标 ) ) 之间的关系曲线之间的关系曲线 ((浴盆曲线浴盆曲线 )) 。。 循环基数循环基数 NN00 : : 疲劳曲线趋于水平时的循环次数。疲劳曲线趋于水平时的循环次数。通常认为此基数为：在“无限次”循环时试件不会断通常认为此基数为：在“无限次”循环时试件不会断裂。裂。 疲劳极限疲劳极限：对应于：对应于 NN00 时的应力。常用时的应力。常用 σσ-1-1 表示表示材料在材料在对称循环变应力对称循环变应力下的下的弯曲疲劳极限弯曲疲劳极限。。 当当 NN< < NN00 时时 , , 疲劳曲线可表示为疲劳曲线可表示为 : : σσ-1N-1N

mmN=σN=σ--

11mmNN00=C=C

((mm: : 随应力状态而不同的幂指数，弯曲时随应力状态而不同的幂指数，弯曲时 mm=9=9))故对应于循环次数的弯曲疲劳极限为：故对应于循环次数的弯曲疲劳极限为： σσ-1N-1N=σ=σ-1-1√N√N0 0 /N/N

mm

许用应力： 变应力下，许用应力取材料的许用应力： 变应力下，许用应力取材料的疲劳极限作为极限应力，同时还应考虑零件的疲劳极限作为极限应力，同时还应考虑零件的截面突变截面突变 (( 应力集中系数应力集中系数 kkσσ)) 、绝对尺寸、绝对尺寸 (( 尺寸尺寸系数系数εεσσ)) 和表面状态和表面状态 (( 表面状态系数表面状态系数 ββ)) 等影响。等影响。 对称循环应力的许用值：对称循环应力的许用值： [[σσ-1-1]=]=εεσσβσβσ-1-1/(/(kkσσSS))

脉动循环应力的许用值：脉动循环应力的许用值： [[σσ00]=]=εεσσβσβσ00/(/(kkσσSS))

通常设计时通常设计时 , , 用“有限寿命”代替“无用“有限寿命”代替“无限寿命”下零件的许用应力，以便使用较大的限寿命”下零件的许用应力，以便使用较大的许用应力许用应力 [[σσ-1N-1N]] ，从而减小零件的体积和重量。，从而减小零件的体积和重量。 [[σσ-1N-1N] ] = ε= εσ σ βσβσ-1-1√N√N0 0 /N /N /(/(kkσσSS))

mm

六、安全系数六、安全系数

应力状况应力状况 材料性质材料性质 发全系数发全系数

静应力静应力 塑性材料塑性材料 SS=1.2~2.5=1.2~2.5脆性材料脆性材料 SS=3~4=3~4

变应力变应力 材料均匀材料均匀 SS=1.3~1.7=1.3~1.7材料不均匀材料不均匀 SS=1.7~2.5=1.7~2.5

部分系数法部分系数法： ： SS= = SS11· · SS22· · SS33

SS11 ：考虑载荷及应力计算的：考虑载荷及应力计算的准确性准确性 SS2 2 ：考虑材料的力学性能的：考虑材料的力学性能的均匀性均匀性 SS3 3 ：考虑零件的：考虑零件的重要性重要性

七、例题七、例题 (P117~P119 (P117~P119 例例 9-1~3)9-1~3) P119 P119 例例 9-39-3 的结论的结论 : : 一对齿轮作单向传动时，轮齿的弯曲应力一对齿轮作单向传动时，轮齿的弯曲应力是是脉功循环变应力脉功循环变应力。。

单侧受载时轮齿弯曲应力的循环特性单侧受载时轮齿弯曲应力的循环特性

§9–3 §9–3 机械零件的接触强度机械零件的接触强度 整体强度整体强度：：零件在较大的体积内受载时产生应零件在较大的体积内受载时产生应力，此应力状态下的强度称为整体强度。力，此应力状态下的强度称为整体强度。 接触强度接触强度：：两个点、线接触的零件受载后在接两个点、线接触的零件受载后在接触处产生的局部应力。这时零件强度称为接触强度。触处产生的局部应力。这时零件强度称为接触强度。 疲劳点蚀疲劳点蚀：：作周期性变化的接触应力使零件表作周期性变化的接触应力使零件表面形成一些小坑的现象。疲劳点蚀使减小了接触面积，面形成一些小坑的现象。疲劳点蚀使减小了接触面积，损坏了零件表面损坏了零件表面 , , 降低了零件承载能力降低了零件承载能力 , , 并引起振动并引起振动和噪声。它是齿轮、滚动轴承等零件的主要失效形式。和噪声。它是齿轮、滚动轴承等零件的主要失效形式。

接触疲劳强度的判定条件为：接触疲劳强度的判定条件为： σσH H ≤ [≤ [σσH H ] = ] = σσHlimHlim//SSH H

((σσHlimHlim 由实验测得由实验测得 , , SSH H >1)>1)

若两零件硬度不同，常以较软零件的接触若两零件硬度不同，常以较软零件的接触疲疲 劳极限为准。劳极限为准。 接触应力的特点接触应力的特点

大小相等、方向相反；大小相等、方向相反；左右对称；左右对称；稍离接触区中线即迅速降低等。稍离接触区中线即迅速降低等。

§9–4 §9–4 机械零件的耐磨性机械零件的耐磨性 磨损磨损：磨擦表面物质不断损失的现象。：磨擦表面物质不断损失的现象。 耐磨性耐磨性：零件抗磨损的能力。：零件抗磨损的能力。 在预定使用期限内，零件的磨损量不超过允许值在预定使用期限内，零件的磨损量不超过允许值时，认为是正常磨损。出现剧烈磨损时．运动副的间时，认为是正常磨损。出现剧烈磨损时．运动副的间隙增大，机械精度丧失，效率下降；振动、冲击和噪隙增大，机械精度丧失，效率下降；振动、冲击和噪声增大；应立即停车检修、换零件。声增大；应立即停车检修、换零件。 机械磨损的主要类型：机械磨损的主要类型： 磨粒磨损磨粒磨损 //粘着磨损粘着磨损 //疲劳磨损疲劳磨损 //腐蚀磨损腐蚀磨损 耐磨计算：耐磨计算： 限制强度准则： 限制强度准则： pp ≤ [ ≤ [ pp]] 当相对速度大时，应校核接触面的发热：当相对速度大时，应校核接触面的发热： pvpv≤[≤[pvpv]]

§9–6 §9–6 公差配合、粗糙度和优先数系公差配合、粗糙度和优先数系一、公差与配合一、公差与配合 (( 参考《互换性与测量技术基参考《互换性与测量技术基础》础》 )) 大规模生产大规模生产要求零件具有要求零件具有互换性互换性。互换性要求。互换性要求建立建立标准化标准化的的公差与配合公差与配合。我国的公差与配合采。我国的公差与配合采用用国际公差制国际公差制。。 公差：零件允许的最大尺寸与最小尺寸之差。公差：零件允许的最大尺寸与最小尺寸之差。 基本尺寸：设计给定的尺寸。基本尺寸：设计给定的尺寸。

配合：同一基本尺寸的孔与轴的结合。有间隙、配合：同一基本尺寸的孔与轴的结合。有间隙、 过度和过盈配合三种。配合制度有基孔制和过度和过盈配合三种。配合制度有基孔制和基基 轴制两种。轴制两种。 公差带：上下偏差间的尺寸。孔与轴各有公差带：上下偏差间的尺寸。孔与轴各有 2828个。个。 机械制造中最常用的公差等级是机械制造中最常用的公差等级是 4~114~11级。级。 44 、、 55级用于特精密零件；级用于特精密零件； 66 、、 77级用于重要级用于重要零件，是生产中常用精度等级。零件，是生产中常用精度等级。 88 、、 99级用于中等级用于中等精度零件。精度零件。 1010 、、 1111 级用于低精度零件。级用于低精度零件。

二、表面粗糙度二、表面粗糙度 表面粗糙度： 指零件表面的微观几何形状误表面粗糙度： 指零件表面的微观几何形状误差。差。 它是零件加工后在表面留下的刀痕。用被它是零件加工后在表面留下的刀痕。用被测轮测轮 廓上各点至轮廓中线偏距绝对值的算术平廓上各点至轮廓中线偏距绝对值的算术平均值均值 RRa a 来表示。通常精度越高，要求来表示。通常精度越高，要求 RRa a 越小。越小。

三、优先数系三、优先数系 优先数系：用来使型号、直径、转速、承优先数系：用来使型号、直径、转速、承载载 量和功率等量值得到合理分组，以便量和功率等量值得到合理分组，以便组织组织 生产和降低成本的一组等比数系。生产和降低成本的一组等比数系。 GB321-80GB321-80 规定的优先数系有四种基本系列，规定的优先数系有四种基本系列，即即 R5R5 、、 R10R10 、 、 R20R20 、、 R40R40 系列。在确定量系列。在确定量值的分级时，必须最大限度地采用优先数及优值的分级时，必须最大限度地采用优先数及优先数系。先数系。 优先数：优先数系中的各数。优先数：优先数系中的各数。 如：如： R5=10R5=101/51/5=1.6 =1.6 优先数系：优先数系： 1 1.6 1 1.6 2.5…2.5…

§9–7 §9–7 机械零件的工艺性和标准化机械零件的工艺性和标准化一、工艺性一、工艺性 零件设计时不仅要有适用性，还要有良好的工艺零件设计时不仅要有适用性，还要有良好的工艺性。工艺性的基本要求是：性。工艺性的基本要求是： (1) (1) 毛坯选择合理毛坯选择合理 (2) (2) 结构简单合理结构简单合理 (3) (3) 规定适当的制造精度及表面粗糙度规定适当的制造精度及表面粗糙度二、标准化二、标准化 标准化是指以制订标准和贯彻标准为主要内容标准化是指以制订标准和贯彻标准为主要内容的全部活动过程。其原则是统一、简化、协调、优化。的全部活动过程。其原则是统一、简化、协调、优化。 标准化有利于实行专业化大生产，提高产品质标准化有利于实行专业化大生产，提高产品质量，降低成本；减少设计工作量；减少库存量和便于量，降低成本；减少设计工作量；减少库存量和便于维护维修。我国的标准分为维护维修。我国的标准分为国家标准国家标准、、行业标准行业标准、、地地方标准方标准和和企业标准企业标准四级。四级。